【知识】壁挂炉烟气优化方法探讨

 随着节能环保，低炭生活的理念已经深入民心，开发低排放，低污染物已经成为壁挂炉重要发展方向之一。随着新国标GB 25034-2010《燃气采暖热水炉》的实施，国家对燃气采暖热水炉燃烧工况的要求完全等同欧盟标准。相比原标准GB 6932-2001有了较大的提高。由于CO的排放既影响热效率又影响到燃烧工况，还会引起CO中毒事故，因此国标对燃具的CO含量进行严格的控制因此对机器的性能及结构提出更高要求。在现有机型由于受结构限制，按照新国标的规定进行测试，可能某些指标未避能达到要求。尤其新国标上增加了不完全燃烧工况时对烟气CO含量的要求，在大功率机型上更容易出现烟气超标。因此有必要对现有结构进行优化设计，调整系统的工作参数及状态，达到更佳性能。

1 基础理论分析

下面以甲烷为例对燃烧化学反应进行分析。甲烷的燃烧并非直接生成水和二氧化碳，而是经过许多中间反应才完成的，下面是主要的6个反应方程：

(1) CH₄+O→CH3OH

(2) CH₃OH+O→CH₂(OH)₂

(3) CH₂(OH)₂→CH₂O+H2O

(4) CH₂O+O→CHO(OH)

(5) CH(OH)→CO+H₂O

(6) CO+O→CO₂

上述反应中的O是活性氧原子。上述6个反应中第1级与第6级活化能更大，反应更慢，所需反应时间更长。CH4燃尽需要第6级反应才能完成，由于外界的影响就可能出现反应中间过程终止，导致不完全燃烧产物出现。特别是第6个反应，若不能得到完全进行，将引起烟气中CO产品超标。烟气中的CO含量要严格限制，为了防止CO引起人身中毒事故，所以降低烟气中CO含量是壁挂炉开发设计中的重大课题。

壁挂炉正常运行时，出现回火、脱火、黄焰现象都会引起CO含量增大。从图1可知影响CO含量的更大因素便是燃烧器的空气系数a和燃烧器的火孔强度q。

燃气燃烧时所需要的理论空气量是指燃气完全燃烧时所需要的更小空气量（由燃烧化学方程式确定)。由于燃气与空气存在混合不均匀性，实际供给燃气的空气量大于理论空气量，即要供给一部分过剩空气，即存在一个过剩空气系数：

其中 V1——实际供给空气量；
     V0——理论供给空气量；
     α1——次空气系数；
     α2——二次空气系数；

影响一次空气系数的因素：

a）结构参数对一次空气系数的影响

燃烧器结构参数与一次空气系数的关系表达式：

S：燃气相对密度

K：常数

fp：火孔总面积mm²

fq：喷嘴面积mm²

从上面式中可以看出增加燃烧器火孔总面积（增加火孔数量或火孔直径），会使一次空气系数α1加大，加大喷嘴面积，会使α1减少。

b）燃烧器背压对一次空气系数α1的影响

当大气式燃烧器安装在封闭的燃烧室内时，燃烧烧室的压力变化会对α1产生明显影响。燃烧室为正背压时，α1会减少；燃烧室为负背压时α1会增大。

c）燃烧器自调节性：大气式燃烧器的一次空气系数α1取决于其结构参数，与其负荷变化无关。即大气式燃烧器的火孔不变，喷嘴与引射器相对位置不变，其α1不随热负荷的变化而变化。但实际上由于流体的粘性使得燃烧器在高负荷下的流体阻力比低负荷下的流体阻力相对要小一些，造成燃烧器在低负荷下的α1减少。
常规壁挂炉a一般选取在1.4～2.0之间，正确的组织供风是为了用尽可能少的风量满足燃气在燃烧室内完全燃烧。使烟气中的不完全燃烧产物料CO体积分数降到很低水平，同时又能保证热效率，达到节能减耗目的。过剩空气系数a与燃烧产物料CO体积分数关系如图2所示：

综合图1与图2可知供风量过小或过大与及分配不均都对燃烧不利。燃烧区的过剩空气系数太少时，由于燃烧不完全导致热损失增大，使理论燃烧温度降低同时CO体积分数增大。燃烧区的过剩空气系数太大，则增加了燃烧产物的数量使燃烧温度降低，同时容易产生离焰现象，导致CO含量的明显升高。若空气分配不均，燃烧室内部分燃烧不充分，部分空气量过剩。导致不但CO升高，燃烧温度也下降，换热效率低。
由于CO的排放既影响热效率又影响到燃烧工况，还会引起CO中毒事故，因此需要对壁挂炉的CO排量进行严格的控制。

2 性能测试

旧国标GB6932-2001要求输入功率±40%，采用基准气，一米烟管条件下进行测试，规定COα=1≤0.1%。而新国标要求采用基准气调节1.05倍额定热负荷，再采用黄火界限气代替测试，规定COα=1≤0.2%(3m烟管)。
市场上某输入功率为40kW的常规机型，其配置如表1，根据新国标GB25034-2010规定的实验条件进行测试，性能参数如表2：

根据以上测试结果分析，热效率及产水率均能达到国标要求，但在1.05倍额定热负荷采用黄火界限气测试，烟气已经超出新国标规定要求，因此该机型属于不合格产品。

3 系统分析与结构优化

当燃烧不完全时表现出燃烧烟气中CO含量增大。CO的生成与燃烧温度，一次空气系数，二次空气系数，燃烧烟气在高温区的滞留时间等有关。其中一次空气系数及二次空气系数为主要因素，一次空气系数由引射器的结构，喷嘴尺寸，与及引射器与喷嘴的匹配决定。由于在正常燃烧工况下，烟气比较理想，以及现有燃烧器结构不便于调整，因此主要从二次空气系数的影响因素去分析CO超标的原因。

其中O2=6.9%空气系数α=1.5左右呈现出提供的燃烧的空气量不够，可能直接导致不完全燃烧，使CO上升。为了确定是否因为供氧不足使引CO上升，我们对风机的输入电压进行了调整。采用标准气，1米烟管进行测试，其风机电压对烟气的影响如上图3所示。

通过图4，加大风机电压，功率增大，烟气中O2上升,CO含量呈现明显的下降。因此可以通过改变不同功率风机来降低CO含量。分别更换了功率为56W，65W风机恒速风机，在1.05倍额定热负荷采用黄火界限气进行测试，测试结果如表3。结果表明通增加风机功率，CO含量有下降趋势，当风机功率从56W加大到65W时，O2继续上升，烟气CO变化不明显。因此分析出不单是整体供氧量影响燃烧不完全，也可能空气分配不均引起局部不充分燃烧。

为了确切的了解局部燃烧状况，对燃烧室烟气分部进行测试分析。我们采用烟气分析仪连接取样管深入到燃烧室燃烧室对各位置进行了烟气取样。

试验方法：从主换热器下方位置，在燃烧室及空气箱上开细孔，将用简易毛细铜管做的取样探测管深入燃烧室中，1cm距离慢慢深入并记录数据，测试结果如图5：

燃烧器的前端与后端区域烟气CO明显比中间区域的高，燃烧区域分为三个区（如图6）：燃烧器前端的贫氧区，中间的富氧区，后端的贫氧区。由于燃烧器前后侧都安装有固定支架，所以该处的正上方没有二次空气补给孔要靠其周围的空隙补给空气，当负荷达到一定程度时，从周围补给的空气就显得相对稀薄，由于功率大的机型匹配的风机转速大，二次空气速度增大以后空气偏移会更加明显，燃烧室腔体里的二次空气公布相对平衡会被打破，分配不均更加明显。二次空气过剩与不足的差距会进一步增大。

通过调整额定功率为48W的风机的输入功率，在火排垂直截面及平行截面对烟气取样检测，监测结果分别如图7、图8：

随着风机功率的增大，二次空气不足与过剩的差距将拉大，因此，难以用小功率风机下基本均匀来判断大功率风机下也均匀；同时分配不足地方始终不足，过剩地方始终过剩。

经过对上述对燃烧器的二次空气分布，及燃烧室烟气现状分析，针对于烟气超标问题对燃烧系统进行优化处理，采取了三点改进措施：

1、将原来的48W风机更改为56W风机，以提高实际空气量。

2、燃烧器前后固定支架增加二次空气补给孔，目的是增加支架位置正上方的二次空气量。

3、燃烧器底侧增加分配网，目的是降低燃烧室各处二次空气流速差距。分配网的使用，使燃烧器各区域的空气得以均匀分布。

经过二次空气均匀分布的优化设计，性能测试结果如下：

4 结论

1、通过改良供风与分配，使烟气达到新国标要求。

2、通过改良燃烧降低CO的排放，有利于减少环境污染，同时提升燃烧效率，实现节能要求。

3、通过对二次空气分配的优化改良燃气的燃烧状态的方法，具有改造时间短，投入成本低，且效果理想的优点，在其他机型遇到类似问题时，提供了一个解决方向。